تأثير النفقتأثير

في عام 1927، لاحظ فريدريش هوند أنه في نظام كمومي ذي بئرين، يمكن للجسيم أن يقفز بينهما حتى لو كانت طاقته غير كافية — وكانت هذه أول إشارة إلى تأثير النفق. لاحقًا، شرح جورج غاموف تحلل ألفا للنوى بنفق الجسيمات عبر حاجز الجهد. الأساس هو فكرة اعتبار الجسيم موجة دي برولي (لكل جسيم تقابل موجة بطول \(\lambda = h/p\))؛ حيث تقتضي الميكانيكا الكلاسيكية التوقف أمام الحاجز، فإن الموجة الكمومية تتضاءل أسّيًا، لكنها لا تنقطع، ويخرج جزء صغير منها من الجهة الأخرى.

في العالم الصغري، لا تتصرف الجسيمات ككرات، بل كموجات احتمالية ضبابية. الحاجز — حاجز طاقة (منطقة لا تكفي الطاقة لاجتيازها) — لا يوقف الموجة تمامًا، بل يجبرها على التسرب من خلاله. يكون احتمال 'النفق' أعلى كلما كان الحاجز أرق والجسيم أخف. هذا يشبه شبحًا يمر عبر جدار، إلا أن سلوك الجسيم يوصف رياضيًا بدالة موجية ومبدأ اللايقين لهايزنبرغ (لا يمكن معرفة الموضع والزخم بدقة في آن واحد).

تأثير النفق هو ظاهرة كمومية بحتة: يتغلب الجسيم على حاجز جهد حتى لو كانت طاقته أقل من ارتفاعه. تمنع الميكانيكا الكلاسيكية ذلك، لكن في ميكانيكا الكم، الدالة الموجية للجسيم، الخاضعة لمعادلة شرودنغر، لا تنقطع عند الحاجز، بل تتضاءل أسّيًا داخله. عند عرض محدود، يخرج جزء من الموجة إلى الخارج، مما يعطي احتمالًا غير معدوم لاكتشاف الجسيم على الجهة الأخرى. بالنسبة لحاجز مستطيل، معامل النفاذ \(T \propto \exp(-2\kappa L)\)، حيث \(\kappa = \sqrt{2m(U - E)}/\hbar\). يفسر التأثير تحلل ألفا (غاموف)، ويشكل أساس ثنائيات النفق (إيساكي)، ومجهر المسح النفقي، والاندماج النووي في النجوم، ويسبب مشاكل في الإلكترونيات الدقيقة بسبب تيارات التسرب النفقي.